Gewoonlijk zijn er tijdens het gebruik van een joystick twee manieren om een analoog uitgangssignaal te bereiken: Hall-sensorvorm en potentiometertype.
1, Dit artikel is bedoeld om het basisimplementatieprincipe van de Hall-sensor, de verschillen, voor- en nadelen tussen 2D Hall en 3D Hall te verduidelijken.
Definitie van Hall-effect:
Hall-effect werd ontdekt door natuurkundige Hall in 1879. Het definieert de relatie tussen magnetisch veld en geïnduceerde spanning. Dit effect is totaal anders dan traditionele elektromagnetische inductie.
——Afbeelding van internet
Zoals hierboven getoond, wanneer een elektrische stroom door een geleider gaat die zich in een magnetisch veld bevindt (het gearceerde oppervlak), oefent het magnetische veld een kracht uit op de elektronen in de geleider loodrecht op de bewegingsrichting van de elektronen, wat resulteert in een potentiaalverschil in beide richtingen loodrecht op de geleider en de magnetische inductielijn.
Wanneer een magnetisch veld loodrecht op de stroomrichting op de halfgeleider wordt aangelegd, zullen elektronen en gaten in de halfgeleider door Lorentzkracht in verschillende richtingen worden aangetrokken en in verschillende richtingen aggregeren. Er zal een elektrisch veld worden gegenereerd tussen de verzamelde elektronen en gaten. Nadat de elektrische veldkracht en Lorentzkracht in evenwicht zijn gebracht, zullen ze niet langer aggregeren. In dit geval zal het elektrische veld de daaropvolgende elektronen en gaten onderwerpen aan de elektrische veldkracht en de door het magnetische veld gegenereerde Lorentzkracht in evenwicht brengen, zodat de volgende elektronen en gaten soepel en zonder afwijking kunnen passeren, wat het Hall-effect is . Het spanningsverschil tussen de twee zijden wordt Hall-spanning genoemd.
Schematisch diagram
Het elektron creëert een potentiaalverschil in het magnetische veld, wat resulteert in een Lorentzkracht
Lorentzkracht F=qE plus qvB/c
Dus het Hallenveld
UH% 7b% 7b0% 7d% 7dRH% c2% b7I% 7b% 7b1% 7d% 7dB% c2% b7I % 2f (q% c2% b7n% c2% b7c)
Toepassing van Zaaleffect:
Hoewel het Hall-effect eerder werd ontdekt, werd het beperkt door de ontwikkeling van constante magneten en elektronische componenten. Hall-sensoren verschenen voor het eerst rond de jaren zeventig.
De standaard Hall-sensor is ontworpen als een zeer betrouwbare Hall-chip geïntegreerde schakeling door de circuitchip van silicium monokristallijn materiaal in een luchtdichte verpakkingsstructuur te verpakken.
Vanwege problemen met het circuitontwerp zal de Hall-chip die voor het eerst wordt gebruikt echter grote spanningsveranderingen veroorzaken als gevolg van temperatuurafwijking, die niet kunnen worden toegepast in de daadwerkelijke industriële omgeving.
Later, tot rond de jaren negentig, gebruikten sommige bedrijven, zoals MLX, temperatuurcompensatiecircuits om de invloed van temperatuurgerelateerde parameters in de formule voor de berekening van het magnetische veld te compenseren, zodat het magnetische veld niet verandert met de temperatuur. Bovendien heeft de Hall-chip een programmeerbare werking gerealiseerd, die de door de Hall-chip ingestelde analoge uitgang niet hoeft aan te passen aan de gebruiksvereisten, en verbreedt het gebruiksscenario en de reikwijdte van de Hall-chip enorm.
Hall-chip begon op grote schaal te worden gebruikt in industriële en voertuigomgevingen, gebruikt om de parameters van verplaatsing en rotatiehoek te beoordelen en om te zetten in analoge uitvoer.
In navolging van MLX Company sloten veel IC-fabrikanten in binnen- en buitenland zich aan bij de ontwikkeling van Hall-chip. De conventionele Hall-chip die nu wordt gebruikt, is meestal gemaakt van meerdere Hall-chips die op elkaar zijn geplaatst voor beoordeling van redundantie, wat de resolutie en nauwkeurigheid van analoge uitvoer aanzienlijk verbetert.
Gebruik van Hall in de handgreep:
Vroege industriële handgrepen bereikten analoge output door de roterende structuur van de handgreep, die de kogel duwde om de hydraulische klep aan te drijven. Er zullen tekortkomingen zijn in de intelligente besturing en het logische ontwerp, en het hydraulische apparaat zal onvermijdelijk olielekkageverschijnselen hebben, die niet kunnen worden gebruikt in de scène met hoge vervuilingsniveau-eisen of in de scène die een schone omgeving vereist.
Hydraulisch gebruik van de kogelvorm
——Afbeelding van internet
Hall werd voor het eerst gebruikt in joysticks door Danfoss, een Duitse fabrikant. De belangrijkste producten zijn JS1, JS1000 enzovoort.
Hall-chipfabrikanten worden vaak gebruikt in het handvat, waaronder MLX, TI, McGahn enzovoort.
Er zijn verschillen tussen 2D-vliegtuighal en 3D-hal volgens verschillende gebruiksmethoden.
Verschil tussen 2D Hal en 3D Hal:
Normaal gesproken is het gebruik van Hall in het handvat verdeeld in roteren en verplaatsen en zwaaien. Het roterende type is 2D Hall en het verplaatsings- en zwaaitype is 3D Hall.
* Let op het gebruik van magnetisch staal:
Ongeacht de vorm van de hal zijn er twee kritieke controlevereisten om de stabiliteit van het werk van de hal te bereiken.
De eerste is de afstand tussen het magnetische staal en het midden van de Hall, die varieert naargelang de verschillende Hall-chipmodellen. Het is over het algemeen ongeveer 1 ~ 5 mm.
De tweede is de magnetisatiegrootte van magnetisch staal, volgens het Hall-chipmodel is dit anders, meestal in tientallen mT tot honderden mT.
Als een van de twee parameters buiten het bereik valt of als de afwijking groot is, veroorzaakt dit de instabiliteit van de Hall-chip, wat resulteert in uitvoermutatie of uitvoerafwijking.
Bovendien zal magnetisch staal over het algemeen geen outputafwijking veroorzaken als gevolg van demagnetisatie tijdens langdurig gebruik, en de belangrijkste parameter is de coërciviteit van magnetisch staal. Coërciviteit verwijst naar de magnetische inductie-intensiteit B keert niet terug naar nul wanneer het externe magnetische veld terugkeert naar nul na verzadigingsmagnetisatie van magnetische materialen. Alleen door toevoeging van een magnetisch veld van een bepaalde grootte in de tegenovergestelde richting van het oorspronkelijke magnetisatieveld kan de magnetische inductie-intensiteit terugkeren naar nul, wat coërcitief magnetisch veld of coërcitiekracht wordt genoemd.
Over het algemeen vereist de coërciviteit van magnetisch staal Hcb groter dan of gelijk aan 850KA/m; Intrinsieke coërciviteit Hcj Groter dan of gelijk aan 955KA/m. De belangrijkste beïnvloedende factor is het materiaal van magnetisch staal. Over het algemeen is de coërciviteit van ferrietmateriaal klein, wat gedurende lange tijd zal leiden tot demagnetisatie van magnetisch staal. En de dwang van NdFeb-materiaal is groter, meestal niet-langdurige hoge temperaturen (boven 60 ~ 80 graden) onder de gebruiksomstandigheden, het gebruik van ongeveer vijf tot tien jaar is meer dan genoeg.
Het magnetische staal dat voor het handvat wordt gebruikt, is meestal N35 Ndfeb magnetisch staal.
Andere gecontroleerde elementen van magnetisch staal zijn remanentie Br en maximaal magnetisch energieproduct BH(max).
1. Roterend type:
Rotary Hall wordt meestal in het midden van de rotatieas geplaatst en de magnetisatierichting is radiaal. Wanneer de hendelas wordt gedraaid, wordt de Hall-spanning gegenereerd als gevolg van de verandering in magnetische flux door de Hall-sensor.
De voordelen van deze manier van gebruik zijn:
1. Goede spanningssymmetrie;
2. Lage realisatiemoeilijkheid;
3. In het geval van een handgreep met twee assen is de XY-asinterferentie klein;
4. De handgreep met één as neemt minder ruimte in beslag.
5. Lage magnetisatiemoeilijkheid.
6. Rotatiehoek kan groot zijn (minder dan 360 graden)
De nadelen zijn:
1. Wanneer de handgreep met twee assen is gerealiseerd, moet deze relatief veel ruimte innemen;
2. Moet in het rotatiecentrum worden gebruikt.
Type rotatie
1. Verplaatsingsformule:
Meestal is het gebruik van verplaatsing ook het gebruik van 3D Hall, zoals de eerste vlag MT1531-chip. Gewoonlijk is de magnetisatierichting radiaal. Op deze manier zou het magnetische veldstaal een magnetische flux van 0mT in het midden moeten hebben, wat aan beide kanten maximaal is. Wanneer magnetisch staal op deze manier wordt gemagnetiseerd, is het noodzakelijk om eisen te stellen aan de magnetisatie-uniformiteit aan beide zijden van stripmagnetisch staal of gebogen magnetisch staal. Als de magnetische grootte anders is, zal de magnetische fluxverdeling ongelijkmatig zijn, wat resulteert in een lineaire afwijking van de uitvoer aan beide zijden wanneer het handvat wordt geschud.
Voordelen:
1. De structuur is eenvoudig en de prijs van de verplaatsingshal is laag;
2. De structurele fase van het magnetische staal dat moeilijk in het rotatiecentrum te plaatsen is, is beter;
3. Flexibele structuur, kan meer soorten structuur doen.
Nadelen:
1. Magnetisch staal heeft magnetiserende symmetrie nodig;
2. Over het algemeen is het erg moeilijk om lineaire symmetrie van verplaatsingsformule te realiseren;
3. De rotatiehoek mag niet te groot zijn; (meestal niet meer dan 40 graden)
——Afbeelding van MLX90333-specificatie
1. Schommelingstype:
Oscillerende hal is een gebruikelijke realisatie van een biaxiale hal. Het realiseert dubbelassige of zelfs meerassige uitvoer van één chip door meerdere Hall-chips op een Hall-sensor te plaatsen.
Gewoonlijk is de richting van magnetische staalmagnetisatie axiale magnetisatie, en de axiale magnetisatie van cirkelvormig magnetisch staal zal de moeilijkheid van magnetisatie aanzienlijk verminderen.
——Afbeelding van MLX90333-specificatie
Hoewel een enkele 3D-chip voor Hall-sensoren duurder is dan een 2D-chip, zijn de kosten voor het implementeren van een biaxiale uitvoer relatief lager dan het gebruik van twee 2D-chips.
Voordelen:
1. Magnetisch staal heeft een lage moeilijkheidsgraad. Lage montagemoeilijkheid;
2. Biaxiale realisatiekosten zijn laag;
3. De horizontale ruimte van het handvat is minder bezet;
Nadelen:
1. De offsetvereiste van Hall-patch is relatief hoog en de offsetvereiste van SMT is over het algemeen niet meer dan de helft van de lasvoet; Anders zal er een grote biaxiale interferentie zijn (dat wil zeggen, wanneer de ene as wordt ingedrukt, heeft de andere as uitvoerfluctuaties, 3D Hall kan biaxiale interferentie niet vermijden, maar over het algemeen wordt binnen het uitvoerafwijkingsbereik als gekwalificeerd beschouwd)
2. De kosten voor het bereiken van uniaxiale uitvoer zullen hoger zijn;
3. De rotatiehoek is kleiner dan het verplaatsingstype (meestal niet meer dan 30 graden);
De HJ8-handgreep van Shanghai Chen Gong Electric Control maakt gebruik van de 3D-hal van MLX90333.
ik. Factoren die van invloed zijn op de afwijking van de Hall-output:
Over het algemeen zijn de factoren die de Hall-uitgangsspanning beïnvloeden voornamelijk de volgende redenen. Aangezien de chip zelden kapot gaat, worden de oorzaken van de afwijking van de uitgangsspanning in het algemeen voornamelijk geanalyseerd op basis van de veranderingen in de magnetische flux:
1. Veranderingen in magnetische flux veroorzaakt door magnetisch staal:
Magnetisch staal verandert de magnetische flux en dus de uitgangsspanning om verschillende redenen, zoals:
A. Slechte bescherming leidt tot de adsorptie van ijzerpoeder op het magnetische staal, wat resulteert in een verandering van de magnetische flux.
B. Onjuiste bevestiging van magnetisch staal leidt tot het losraken van magnetisch staal;
C. Verborgen scheuren ontstaan wanneer magnetisch staal wordt geklonken of gefixeerd, wat kan leiden tot scheuren en veranderingen in de magnetische flux na hoge en lage temperaturen.
Manieren om te vermijden:
Deze factoren moeten worden geanalyseerd en verbetermaatregelen moeten worden opgevolgd in de FEMA van het ontwerp en het proces.
2. Magnetische fluxveranderingen veroorzaakt door externe oorzaken:
Over het algemeen verandert de magnetische flux door de Hall-chip als gevolg van circuitfluctuaties veroorzaakt door een extern magnetisch veld of spanningsimpact, waardoor de uitvoer wordt beïnvloed.
Manieren om te vermijden:
Er is een EMC-test uitgevoerd en er is een afschermingsscherm gebruikt om de afscherming van de Hall-chip te vergroten.
3. Uitgangsafwijking veroorzaakt door mechanische structuur:
Na langdurig gebruik leidt de toename van de mechanische speling tot een toename van de uitvoerafwijking.
Manieren om te vermijden:
Optimaliseer het structurele ontwerp.
4. Externe niet-gereguleerde voeding met ingangsspanning:
Over het algemeen is de nominale Hall-ingangsspanning van de fabrikant van de Hall-handgreep 5.0Vdc±0.5V, maar in de praktijk verwijst deze spanning naar de spanning die de Hall-sensor aanstuurt. Als de kalibratie-uitgangsspanningswaarde 0.5~2.5V~4.5V uitgang is, ingangsspanning 5.5V, dan zal de mediane uitgangsspanning 2.75V zijn, buiten het bereik van de mediane vereisten. Daarom wordt klanten over het algemeen verteld om een gereguleerde voeding te gebruiken. De afwijking van de voeding is over het algemeen ±0.2V met condities in het beste bereik van ±0.1V.